国内外计算思维研究的热点领域和演进趋势

翟学坦 李锐

摘 要：计算思维已经纳入信息素养，为了系统、全面地了解国内外计算思维的发展趋势与研究热点，文章以CNKI和WOS数据库刊载的计算思维文献为数据源，运用文献计量和内容分析的方法，对国内外的計算思维研究从年度分布、学科类别分布、研究机构分布、高产学者分布、关键词与聚类结果分析和研究趋势分析几个部分进行了知识图谱的构建。国内计算思维知识图谱形成了三大主题，分别是以实验教学为核心的研究主题、以大学计算机学科体系建设为核心的研究主题、以信息技术为核心的研究主题。国外计算思维知识图谱也形成了三大主题，分别是以计算思维概念、方法、特征为核心的研究主题，以教学实践为核心的研究主题，以游戏建设为核心的研究主题。

关键词：计算思维;可视化分析;知识图谱

中图分类号：G4文献标志码：A文章编号：2096-0069（2020）05-0014-06

收稿日期：2020-06-04

基金项目：中央电化教育馆立项课题“基于机器人教学游戏化的STEM教育课程开发研究”（176240001）

作者简介：翟学坦（1989— ），男，山东郓城人，北京师范大学天津生态城附属学校，中教二级，研究方向为信息化教育;李锐（1979— ），男，天津人，北京师范大学天津生态城附属学校高级教师，研究方向为智慧校园。

引言

随着高中信息技术新课标的发布，计算思维能力的培养在中小学信息技术教育中越来越受到重视。因此，相关人员对计算思维的各个领域进行了不同程度的研究。卡耐基梅隆大学周以真教授（Jeannette M.Wing）提出计算思维是用计算机科学的元素求解问题和设计系统的科学方法[1]。自从2006年周以真教授提出计算思维的概念以来，许多组织和学者都对计算思维进行了深入的研究[2]。为了系统、全面地了解国内外计算思维的发展趋势与研究热点，本研究以中国知网（CNKI）和科学引文数据库（WOS）为信息源，对比分析计算思维研究在国内外两大权威数据库中的年度分布、学科类别分布、研究机构分布、高产学者分布以及关键词与聚类结果分析。

一、数据来源与研究方法

（一） 数据来源

本研究使用的国内数据来源为知网核心期刊，以“计算思维”为主题词进行检索，检索的时间跨度为2000年至2019年，剔除会议通知、会议报道、期刊征稿等消息类文献后得到有效文献290篇。本研究使用的国外数据源为科学引文数据库下属的科学引文索引（SCI）、社会科学引文索引（SSCI），以“Computational Thinking”为主题词进行检索，检索条件设置同上，剔除不属于本领域的文献，得到有效文献490篇。

（二）研究方法

本文采用文献计量和内容分析的方法，对搜集的CNKI与WOS数据进行定量与定性分析，使用的研究工具主要有引文分析软件（HistCite）、书目共现分析系统（BICOMB）、社会网络分析工具（UCINET）和信息可视化分析软件（Cite Space4.5.R1）。研究步骤分为以下三步：首先，借助HistCite对搜集的数据进行年度分布分析;其次，借助BICOMB、UCINET对学科类别、研究机构、高产学者进行分析;最后，借助CiteSpace对高频关键词与关键词的聚类结果进行分析，进而直观地反映出计算思维的研究主题和热点。

二、结果与分析

（一）年度分析

从图1可以看出，CNKI与WOS数据库中的文献数量整体呈现逐年上升趋势。从2006年到2008年，CNKI与WOS刊载文献量都很少，这段时期是计算思维研究的起步阶段。自2009年以来，文献数量逐年增加。WOS中期刊发文量持续保持增长。在2016年上半年，CNKI与WOS刊载文献量保持持平。笔者进一步统计分析了WOS数据库中从2000年到2019年刊载计算思维文献国家（地区）分布情况，发现中国的发文量排在第二位，占发文总量的18.9%，仅次于美国，远远超过其他国家（地区）的发文量。通过对中国在WOS数据库中发文量的统计和分析，结合CNKI数据库时间分布走势图，可以得出国内的计算思维研究已经达到国际水平的结论。

（二） 学科类别分析

基于CNKI内置的学科分类功能，我们可以看出计算思维研究多数分布在27个学科类别中，排名靠前的学科有高等教育（107）、计算机硬件技术（99）、计算机软件及计算机应用（35）。国外计算思维研究分布在20个学科类别中，排名靠前的学科为教育教学研究（169）、计算机科学（152）。可以看出，国内计算思维的研究主要集中在教育领域和计算机应用领域。国际计算思维的研究主要聚焦在教育教学、计算机科学和工程相关学科，学科类别对比如表1所示。

（三）学术研究机构分析

国内计算思维发文量排在前列的研究机构有北京工业大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等。根据发文量和被引频次统计，得出影响力最高的研究机构是桂林电子科技大学。桂林电子科技大学计算机与控制学院在计算思维方面成绩斐然，研究领域涉及计算学科认知理论、计算机基础教育和方法导论。国际计算思维发文量显示出美国在该领域的强势学术地位。根据发文量和被引频次统计出的影响力最高的研究机构为卡内基梅隆大学。它是计算机教学的先驱，计算机科学学院建立了以计算机系、人机交互研究所、信息网络研究所等科研系所为核心的美国第一大计算机学院。研究机构对比，如表2所示。

（四）高产学者对比

对2000—2019年两期刊数据库中高产学者进行统计分析，按照发文量排名，国内高产学者有蒋宗礼、李锋、董荣胜。蒋宗礼是计算机软件及计算机应用、计算机硬件技术及高等教育方面的专家。他认为计算思维是一种思维方法[3]。李锋的研究在教育理论与教育管理、计算机应用等方面，他强调信息技术课程可以提高学生解决问题的能力 [4]。在WOS中排名前几位的高产学者有亚历山大.雷彭宁（Repenning  A）、戴维.韦布（Webb DC）。雷彭宁是计算教育、儿童编程及可视化编程方面的专家。周以真首次提出了计算思维的定义并引起学术界的关注。

研究者进一步研究了国内外学者在CNKI与WOS中的合作关系派系图谱，发现CNKI中学者之间的联系比较松散，WOS中形成了两大派系图谱，分别是以科罗拉多大学博尔德分校计算机科学系的雷彭寧为中心的学者派系图谱和以南洋理工大学机械与航空航天工程学院黄伟民为中心的学者派系图谱。

（五）关键词与聚类结果分析

为了考察计算思维研究的热点与主题，本研究用CiteSpace分别对2000—2019年CNKI和WOS收录的文献题录信息进行关键词词频分析。

从表3可以看出，CNKI数据库收录的计算思维研究相关的高频关键词有计算思维（140）、教学改革（22）、大学计算机基础（14）、计算机基础教学（11）等。另外，国内计算思维研究在大学计算机基础教学改革、计算思维能力培养等方面。从点度中心度来看，教学改革（0.09）、教学方法（0.05）、能力培养（0.04）这三类高频关键词反映出国内计算思维研究中教学改革已经深入教学方法方面。WOS数据库收录的计算思维研究高频关键词有计算思维（186）、基础教育K12（14）、可视化编程软件Scratch（10）。国外对于计算思维的研究主要在教育程序设计和计算思维能力培养方面。

为了进一步研究国内外计算思维的相关研究主题，在关键词词频分析的基础上，研究者利用CiteSpace分别做出了2000—2019年CNKI与WOS高频关键词的聚类知识图谱。

图2包含291个节点（N=291）和297条连线（E=297）的核心关键词共现网络，网络密度（Density）为0.007。2000—2019年CNKI核心关键词聚类图中形成了13个有效聚类主题，分别为实验教学、计算机课程、学科方法、云计算等。通过对13个有效聚类的相似主题进行整合，形成了三大主题。

第一，以实验教学为核心主题的研究。这个主题包含的聚类词有实验教学、计算思维，包含的关键词有案例教学、教学实践等。刘光蓉[5]认为，程序设计实验可以提高学生实践能力和利用计算思维解决实际问题的能力。因此，计算思维能力的培养应重视上机实验，让学生在编程过程中解决问题、学习知识、扩展思维。四川大学计算机教学中心陈杰华等提出，实验教学可以让学生在编程过程中学习基础知识并扩展计算思维。

第二，以大学计算机学科体系建设为核心主题的研究。这个主题包含的聚类词有计算机基础教学、程序设计基础等。包含的主题词有课程建设、计算机教育等。战德臣[6]等通过分析非计算机专业学生未来对计算思维能力的需求，从专题化和系统化两个方面展开研究。

第三，以信息技术为主题的研究。这个主题包含的聚类词有信息素养、中小学信息技术。包含的关键词有基础教育、信息技术课程、信息技术教学、信息时代、教育改革、数字化空间等。例如，李锋[7]指出计算思维教育的STEM课程旨在通过项目活动为学生提供“做中学”“学中做”的活动环境。

图3是包含312个节点（N=312）和769条连线（E=769）的核心关键词共现网络，网络密度（Density）为0.0159。2000—2019年WOS核心关键词聚类图中共形成了14个有效聚类主题，分别是计算思维、可视化编程语言、智能系统、定义计算的思想、计算探索、游戏建设、批判性思维、生态系统服务、软件工程、战略自律、计算工具、学科、实践能力、学习计算机编程入门。通过对14个有效聚类的相似主题进行整合，形成了三大主题。

第一，以计算思维概念、方法、特征为研究主题。这个主题包括的聚类词有计算思维、批判性思维、定义计算的思想、计算探索、生态服务系统。周以真[8]教授认为计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法进行问题的解决。

第二，以教学实践为核心的研究主题。这个主题包括的聚类词有实践能力、学习计算机编程入门等。围绕这个主题的高频关键词有Scratch、K12、课程、多学科等。

第三，以游戏建设为核心的研究主题。这个主题 的聚类词为游戏化学习。围绕这个主题的核心关键词有可视化程序、游戏设计、角色扮演游戏等。詹森[9]等使用Game Maker Studio工具创建游戏来培养学生的计算思维能力。

（六）研究趋势分析

为了考察不同关键词在各个年份内的分布情况，研究者按时间片统计了国内外计算思维前沿关键词时序图谱。通过CiteSpace绘制的关键词共现时区视图（Time-Zone View），进一步获取计算思维研究热点随时间变化的动态过程。

根据国内计算思维研究关键词共现时区视图，按照12个聚类词的大小，从上下维度和时间维度来看，计算机基础教学、教学改革分别在2010年、2013年引入，至今发展成为影响力较大的核心关键词。这表明国内已经通过改革计算机基础教学的方式来培养学生的计算思维。另外，根据国外计算思维研究关键词共现时区视图，从上下维度来看，按照6个聚类词的大小排序为游戏化学习、建构主义、计算机科学教育等。按照时间从远到近来看，在2008年出现的关键词有计算思维和教育程序。随后出现的关键词有计算机科学教育、计算机科学、K12教育、教育游戏。值得注意的是游戏化学习排在最靠前的位置，说明在国外已经有研究者通过游戏化学习的方法来培养学生的计算思维能力。例如，加利福尼亚大学沃纳[10]等试图通过游戏编程任务测量学生对计算思维概念的理解程度。

三、研究结论与启示

（一）研究结论

本文利用文献计量学统计和知识图谱可视化的分析方法，对比CNKI与WOS刊载计算思维为主题的研究，在一定程度上反映出国内外对计算思维研究的发展趋势与研究热点。研究结果显示：

（1）从年度分布来看，近年来国内外计算思维研究整体呈现上升趋势，都经历了起步期与增长期两个阶段。国内的计算思维研究从刊载文献量上来说，与国际水平基本保持一致。在2015年，国内计算思维研究有下降趋势，说明国内研究人员在计算思维研究方面关注度不够。

（2）從学科类别来看，国内外对于计算思维研究都集中在教育领域和计算机科学相关学科。国外计算思维研究在社会科学、经济学、生物学、心理学等学科领域有一定的研究。而国内在计算思维研究方面需要与其他学科进行深度融合，来提升计算思维研究的广度。

（3）从研究机构分布来看，美国的卡内基梅隆大学的计算机学院在计算思维的研究方面处于学界的领先地位，在计算机科学方面成绩斐然。相对来说，国内在计算思维方面的研究机构也取得了很大的成就，研究机构的频次比较集中。

（4）从高产学者来看，国外研究者雷彭宁在计算思维研究方面贡献突出，而国内研究者平均发文量高于国外研究者。虽然国外在计算思维方面研究处于领先地位，但国内研究者对计算思维的关注度明显高于国外研究者。

（5）从研究主题来看，国内计算思维研究形成了三大主题，分别为以实验教学为核心的研究主题、以大学计算机学科体系建设为核心的研究主题、以信息技术为核心的研究主题。国外计算思维研究形成的三大主题为以计算思维概念、方法、特征为核心的研究主题，以教学实践为核心的研究主题，以游戏建设为核心的研究主题。可以看出国内对于计算思维的研究紧紧围绕教育教学。国外对于计算思维的研究学科间的跨度更大，创新性更强，除了对计算思维概念、原理、教学研究外，还把游戏主题作为计算思维研究。

（6）研究前沿时序图谱表明，国内的聚类词数量明显高于国外的聚类词，国内计算思维研究主要集中于教学课程中，并在课堂上培养学生的计算思维能力。国外在计算思维方面研究涉及计算思维培养的模式的研究，但总的来看国际上游戏化教学更受关注。

（二）研究启示

通过对国内外计算思维的对比研究，明晰了国内与国外计算思维相关研究的联系与差异。研究结论对于国内外计算思维领域的研究者与实践者有一定的参考价值，但是国内外就计算思维的研究方向性问题存在一些争议，如计算思维能否替代信息素养等。具体启示如下：

第一，重视基础理论研究，构建计算思维课程体系。计算思维还没有自己的学科体系，研究者基本依照自己的研究兴趣结合自己的专业方向去做计算思维相关研究。美国教育家伯顿·克拉克认为，学科包括两种含义：一是作为一门知识的“学科”，即知识形态的学科;二是围绕这些“学科”而建立起来的组织，即组织形态的学科[11]。计算思维在概念、特征、原理、培养方式方法等方面，还没有形成课程体系。国内外相关专家、学者在这方面做的研究还不够成熟，不足以形成学科体系。这样就需要研究者在研究过程中结合自己的优势与兴趣，选好研究方向，脚踏实地地做好计算思维的基础理论研究、实证研究。

第二，创新计算思维教学方法，促进新理念下的教学改革。教育教学研究是计算思维研究的重点。在国内外热点聚类词中形成了实验教学、计算机课程教学等。国内在第二届全国“计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”上展示了具体的课程建设方案，以及从不同的角度说明了计算思维能力培养的重要性[12]。在国外计算思维的研究中也创造性地形成了以游戏化学习为核心的主题。可以看出，现有的教育教学方法不能完全适应计算思维能力的培养要求，这就需要相关计算思维的研究者配合一线教师创新教学方法，进行实践教学，推动教学改革。

[1][8]WING J M.Computational Thinking[J]. Communications of the ACM（S0001-0782），49（3），33.

[2]王旭卿.从计算思维到计算参与：美国中小学程序设计教学的社会化转向与启示[J].中国电化教育，2014（3）：97-100.

[3]蒋宗礼.计算思维之我见[J].中国大学教学，2013（9）：5-10.

[4]李锋，王吉庆.计算思维：信息技术课程的一种内在价值[J].中国电化教育，2013（8）：19-23.

[5]刘光蓉.以计算思维能力培养为导向的C程序设计实验教学[J].实验技术与管理，2013（1）：154-156+191.

[6]战德臣，聂兰顺.计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J].中国大学教学，2013（2）：56-60.

[7]李锋.中小学计算思维教育：STEM课程的视角[J].中国远程教育，2018（2）：44-49.

[9]JENSON J.DROUMEVA M.Exploring Media Literacy and Computational Thinking：A Game Maker Curriculum Study[J].Electronic     Journal of E-learning（S1479-4403）.14（2）：111-121.

[10]WERNER L，DENNER J，CAMPE S，et al.The Fairy Performance Assessment[C]// Proceedings of the 43rd ACM Technical Symposium on Computer Science Education（SIGCSE 12）.ACM，New York，NY，USA.  2012（2）：215-220.

[11]伯顿.克拉克.高等教育新论：多学科的研究[M].杭州：浙江教育出版社，2001.

[12]余大品.第二届全国“计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”在哈尔滨成功举办[J].中国大学教学，2013（8）：96.

（责任编辑 王策）

Abstract： Computational thinking has been fitted into information literacy.In order to acknowledge systematically and comprehensively the developing trends and research hotspots at home and abroad，this article takes the literature of computational thinking in the database of CNKI and WOS as data source，applies the methods of literature metrology and content analysis，and constructs the knowledge map of the computational researches at home and abroad from the following parts，namely，annual distribution，distribution of subject categories，distribution of research institutes，distribution of highly-productive scholars，analysis of key words and cluster results and analysis of research trends. The national knowledge map of computational thinking has formed three main themes，and they are the research theme based on experimental teaching，the research theme based on the construction of college computer science system，and the research theme based on information technology respectively.The knowledge map of computational thinking at abroad has also formed three themes，and they are the research theme based on the concept，method and characteristics of computational thinking，the research theme based on teaching practice，and the research theme based on game establishment.

Key words： computational thinking;visualized analysis;knowledge map